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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum in-line Messen des Erstarrungs-,
Kontratktions- sowie des Wandablöseverhaltens
von Gießmaterial
in einer Produktion für
in Gießformen/eine
Gießform gegossener
Confectionary-/Schokoladenprodukte.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens.
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Stand der Technik
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Bei
der Produktion stückiger
Confectionery-/Schokoladen Produkte wird die noch flüssige Schokolade
oder Füllmasse
in Formen gefüllt
und im weiteren Prozessverlauf einer Kühlungsbehandlung unterzogen.
Die gefüllten
Formen werden in einer Kühlkammer
(batchweise) oder einem Kühltunnel (kontinuierlich)
abgekühlt.
Dabei erfolgt durch die einsetzende Verfestigungskristallisation
der Fettkomponente, welche in der Regel die kontinuierliche zunächst fluide
Suspensionsphase bildet, eine Volumenkontraktion, die in ihrer Ausprägung von
Fettgehalt (i), Fettart/Fettmischung (ii) sowie Art und Grad einer
eventuellen Vorkristallisation (iii) abhängt und das Produkt dadurch
von der umgebenden Gießform ablösen lässt. Für eine fehlerfreie
und homogen glänzende
Schokoladenproduktoberfläche
ist es wichtig, dass sich die Schokolade vor dem Austafeln gleichmäßig und
gänzlich
von der Formenwand abgelöst, um
keine Haftflecken/Kühlflecken
oder in der Form wandanhaftend verbleibende Produktteile entstehen zu
lassen.
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Bisher
wird der Zeitpunkt ab dem ohne Qualitätseinbussen ein Produkt ausgeformt
werden kann, empirisch durch Probieren bestimmt. Dies führt zu langwieriger
und Produktausschuss bedingende Einstellzeit des Kühlteils
der Produktionsanlage. Änderungen
von Produktrezeptur, Rohstoffen, Formengröße, Formenmaterial, Raum-/Umgebungstemperatur, Kühltemperatur,
Kühlluftgeschwindigkeit
und Verweilzeit in der Kühlstrecke
sind Einflussgrößen, welche
die Kinetik der Abkühlungs-,
Erstarrungs- und Wandablösevorgänge maßgeblich
beeinflussen.
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Literatur-
und Patentrecherchen haben ergeben, dass bislang keine erfindungsgemäß realisierte in-line
Messvorrichtung zur Ermittlung des Erstarrungs-, Kontraktions- und
Formenwandablöseverhaltens
von Schokoladen oder schokoladenähnlichen Produkten
beschrieben ist. In der Schokoladenindustrie werden z. T. optische
Messgeräte
eingesetzt, die nach erfolgter Ausformung Produkte aussortieren, welche
den gewünschten
Oberflächenqualitätskriterien
nicht entsprechen. Aufgrund der Anzahl aussortierter Teile pro Zeiteinheit
wird beispielsweise der Durchsatz über die Geschwindigkeit des
Formentransportbandes verändert.
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In
der Spritzgusstechnik wird an ein oder zwei Orten in der Gießform mittels
Druckmessung festgestellt, wann sich das Bauteil an dieser Stelle von
der Wand gelöst
hat. Bei diesem Verfahren wird nur der Zeitpunkt des Ablösens an
einer (bzw. zwei) Stelle(n) bestimmt. Des Weiteren besteht die Oberfläche des
Drucksensors aus ei nem anderen Material, als die Gießform selbst,
was bewirkt, dass der Ablöseprozess
von der Druckaufnehmeroberfläche nicht
repräsentativ
für das
Ablöseverhalten
vom Formenwandmaterial ist. Für
Confectionery Produkte ist es ferner unerwünscht, wenn anstelle einer
einheitlich glänzenden
Produktoberfläche,
Abrücke
von Sensoreinbauten sichtbar würden.
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Ultraschall
wird als Basis für
Messtechniken zur Ermittlung von Materialstrukturen in verschiedenen
Industriebereichen verwendet. Beispielsweise wird das Ultraschallreflexionsverhalten
an Materialien unterschiedlicher Dichte bzw. unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten
genutzt, um Materialfehler u. a. in metallischen Werkstoffen zu
detektieren /1–3/. In
der Bauindustrie kommt Ultraschallmesstechnik zum Einsatz, um Betonwände auf
Lunker (eingeschlossene Lufthohlräume) zu untersuchen. In der Medizintechnik
werden Gewebestrukturen unterschiedlicher Dichte aus diagnostischen
Gründen
visualisiert /4/. Im Falle bewegter Medien/Objekte können Ultraschall-Doppler
Verfahren Geschwindigkeitsfelder bzw. Volumenströme detektieren lassen /5/. Die
Kopplung von Ultraschall-Doppler und Druckmesstechnik ermöglicht in-line
Messungen komplexer rheologischer Eigenschaften /6, 7/.
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Aus
der
FR 2 656 425 A1 ist
ein Verfahren zum zerstörungsfreien
Prüfen
von Betonelementen vorbekannt.
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„R. Saggin,
et. al. „Measurement
of solid fat content by ultrasonic reflectance in model systems and
chocolate”,
Food Research International 35 (2002) S. 999–1005” betrifft die Kontrolle von
Inhaltsstoffen bei der Herstellung von Schokoladenprodukten durch
Messung des Fettgehalts (solid fat content – FSC). Durch die Messung des
FSC-Gehalts lässt sich
das Ausformverhalten von Confectionery/Schokoladeprodukten nicht
bestimmen.
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Die
US 2006/0123914 A1 betrifft
die Messung des Aushärteverhaltens
von Kunststoffen. Auf die Besonderheiten des Ausformverhaltens von
Confectionery/Schokoladeprodukten nimmt diese Literaturstelle nicht
Bezug.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zum In-line-Messen
des Erstarrungs-, Kontraktions- sowie des Wandablöseverhaltens
von in Formen gegossener Confectionery-/Schokoladeprodukten zu schaffen,
um den Ausformzeitpunkt von in Gießformen gegossener, erstarrender
Produkte aus diesen Stoffen optimal bestimmen zu können.
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Des
weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Durchführung des
Verfahrens eine vorteilhafte Vorrichtung vorzuschlagen.
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Lösung der Aufgabe betreffend
das Verfahren
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Diese
Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merkmale
gelöst.
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Einige Vorteile
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Mit
der erfindungsgemäßen, innovativen in-line
Messvorrichtung ist es nun erstmals möglich, den Verlauf von Abkühlung (i),
Erstarrung (ii) und Produktablösung
von der Formenwand (iii) exakt und in-line zu ermitteln. Dies schafft
erstmals die Möglichkeit
eine optimierte Auslegung des Kühlprozesses unter
Berücksichtigung
aller vorab ge nannten Einflussparameter zielgerichtet vorzunehmen.
Optimierungskriterien sind: (i) die exakte Festlegung des Ausformzeitpunktes
aus der Gießform,
(ii) dessen weitest gehende Verkürzung
unter (iii) Gewährleistung
einer optimalen, optisch homogenen, glänzenden Produktoberfläche. vorzunehmen.
Gegenüber dem
bisherigen Stand der Technik, welcher eine in-line Detektion der
Verfestigungs- und Formenwand-Ablöseverhaltens bislang nicht
erlaubt bedeuten erfindungsgemäße Vorrichtung
und Verfahren (a) eine Reduktion von Fehlproduktionen, (b) verbesserte
Produktqualitätskonstanz
und (c) verlängerte
Lebensdauer der Gießformen,
was deutliche Kostenreduktion und erweitertes Marktpotential realisieren lässt.
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Beim
Abkühlen
von in Formen gegossenen Confectionery/Schokoladeprodukten kann
deren Verfestigungsvorgang sowie deren auf Grund produkttypischer
Volumenkontraktion erfolgendes Ablösen von der Gießformenwand,
bislang nicht während des
Abkühlvorganges
in-line ermittelt werden. Die Konsequenz für Hersteller solcher Produkte
sind entweder zu lange Verweilzeiten im Kühl-/Erstarrungsprozess mit
resultierend nur teilgenutzter Produktionskapazität (i) oder
zu kurze Verweilzeiten mit in der Folge resultierendem Teilanhaften
von Produkt an der Formenwand und somit schlechtem Auslösen desselben
aus der Gießform
im Verbund mit Produktschädigung
(Oberflächenfehler)
und Formenverschmutzung (ii). Bei der Erfindung werden Erstarrungs-
und Wandablösevorgänge während des Kühl-/Erstarrungsschrittes
in der Produktion gegossener Confectionery/Schokoladenprodukte in-line gemessen,
um eindeutige Kriterien für
die optimierte Einstellung von Kühl-/Erstarrungsprozessparametern
wie z. B. Kühltemperatur,
Kühlluftgeschwindigkeit,
Verweilzeit in der Kühlstrecke
(z. B. bestimmt über
Bandgeschwindigkeit) zu liefern. Derartige Informa tionen werden
entweder telemetrisch an einen Steuer-/Regelrechner oder externen
Computer übertragen
oder nach Durchlauf einer mit entsprechender Messtechnik und Elektronik
bestückten
Gießform
via Computer ausgelesen. Auf der Basis der erfindungsgemäßen in-line
Messtechnik lässt
sich die Produktqualität
optimieren.
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Somit
ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung
die nicht invasive Messung der Verfestigungseigenschaften und des
Ablösezeitpunkt
von in Formen gegossenen Massen, welche in einem geeigneten Prozess,
z. B. einem Kühlprozess
der Verfestigung/Erstarrung unterzogen werden. Aus dem charakteristischen
Messkurvenverlauf werden Grad der Verfestigung und der Ablösung der
erstarrten Masse von der Formenwand genau bestimmbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nutzt den Einbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in eine
Gießform,
verfolgt das Verfestigungs-/Erstarrungsverhalten der in die Form
gegossenen Masse in-line während
des Kühlprozesses
und übermittelt die
entsprechenden Daten an einen Prozessrechner. Damit wird der optimale
Zeitpunkt für
die Ausformung exakt ermittelt und minimale Prozesszeit sowie optimale
Produktqualität über eine
mit dem Prozessrechner gekoppelte Regelung, welche die Stellgrößen: Kühltemperatur,
Kühlluftgeschwindigkeit
und Bandgeschwindigkeit berücksichtigt,
erzielt.
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen
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Weitere
erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 bis
5 beschrieben.
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Lösung der Aufgabe hinsichtlich
der Vorrichtung
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen
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Weitere
erfinderische Ausgestaltungen zum Verfahren sind in den Patentansprüchen 7 und
8 beschrieben.
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In
der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Formenwand von der Unterseite her gesehen;
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2 ein
Amplituden-Zeitdiagramm mit Ultraschall-Sendesignal und Ultraschall-Empfängersignal;
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3 ein
Amplituden-Zeitdiagramm für Milchschokolade
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4 ein
Amplituden-Zeitdiagramm mit dem Temperaturverlauf in zu verfestigender
Schokolade im Vergleich zum Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit,
und
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5 ein
Amplituden-Zeitdiagramm mit verschiedenen Kühltemperaturen bei Milchschokolade.
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a) Geometrie/Anordnung (1)
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Die
Messvorrichtung besteht aus zwei Ultraschallsensoren (Sender 1 und
Empfänger 2),
welche mit der Wand der zu befüllenden
Gießform 3 derart verbunden
werden, dass kein direkter Sensorkontakt zum Gießmaterial entstehen kann. In
der Regel bedeutet dies, dass eine wandrückseitige Installation erfolgt.
Der Abstand der beiden Sender und Empfänger (Sensoren) wird bevorzugt
so gewählt,
dass eine möglichst
lange von Gießmaterial überdeckte
Strecke in einer Gießform
dazwischen liegt.
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Auf
der Rückseite
der „Mess-Gießform” sind des
weiteren ein Mikrocomputer/Mikroprozessor 6 in wasserfestem
Gehäuse,
sowie eine diesen mit Spannung versorgende Batterie-Spannungsquelle 5 mit der
Form fest verbunden angeordnet. Zur Messung der Massetemperatur
an der Formenwand ist zusätzlich
die Integration von Thermoelementen 4, montiert von der
Formenrückseite,
gegebenenfalls mit Gießmassekontakt,
vorgesehen.
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b) Funktionsweise (2, 3)
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Mittels
Signalgenerator wird der Ultraschallsender 1 angeregt und
aus gesandtem und Ultraschall-Empfänger 2 empfangenem
Schwingungssignal die Amplitudendämpfung T sowie die Phasenverschiebung
der leeren Form bei Raumtemperatur ermittelt. Somit ist ein formenspezifisches
Kalibriersignal gespeichert. Danach kann die Form im Gießprozess
eingesetzt werden.
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Die
gesendeten Ultraschallwellen 7 breiten sich im Gießformenmaterial
und der gegebenenfalls eingegossenen Masse/Gießmaterial (z. B. Schokolade)
aus und werden vom Empfänger 2 detektiert.
Dabei kommt es zu Energieverlusten in Folge Energieabsorption, d.
h. dissipativen Umwandlung von Schwingungsenergie in molekulare
Reibung im zur Schwingung mit angeregten Material, was zur Abschwächung des
Empfänger-Amplitudensignals 8, 9 (Amplitudendämpfung 10, 11)
und dessen Phasenverschiebung 12 führt. Je viskoser das in Schwingung
versetzte Material ist, umso stärker
erfolgt die dissipative Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung.
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Je
elastischer dasselbe ist, umso entsprechend weniger sind Amplitudendämpfung und
Phasenverschiebung ausgeprägt.
Neben der Materialart der Gießform
nimmt das mit in Schwingung versetzte, an der Formenwand anhaftende
Material des in die Form eingegossenen Produktes Einfluss auf die dämpfungsbedingte
Veränderung
der Schwingung. Somit wird letztere auch von der Art des eingegossenen
Materials, seiner Viskosität
sowie der Temperatur und der Festigkeit des Haftverbundes zwischen Formen-
und Gießmaterial
abhängig.
Liegt ein fester Haftverbund zwischen Formenwand- und Gießmaterial
vor, und besitzen diese beiden Materialien eine vergleichbare Schallgeschwindigkeit
so kann die Ultraschallwelle verlustarm von Formenwandmaterial ins
Gießmaterial übertreten.
Herrschen allerdings große
Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit zwischen benachbarten
Materialphasen, wie dies beispielsweise bei Ausbildungen eines,
wenngleich sehr engen Luftspaltes zwischen der Gießformenwand
und dem Gießmaterial
nach dessen Wandablösung
der Fall ist, so werden die Ultraschallwellen an der Phasengrenzfläche verstärkt reflektiert.
Damit wird das Gießmaterial
nur noch reduziert in die Schwingung mit einbezogen.
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Beim
Abkühlen
von Schokolade bzw. schokoladenartigen Massen als Gießmaterial
und typischen Kunststoffformen (Macrolon) als Wandmaterial erfolgt
bei einsetzender Verfestigungskristallisation der Schokolade deren
bis ca. 1-3%-ige Volumenkontraktion. Diese führt schließlich zur Ablösung des Gießmaterials
von der Formenwand. Dabei entsteht zwischen Formwand und Schokolade
ein dünner Luftspalt,
an dem die Ultraschall-Welle teilreflektiert wird, was eine Reduktion
der Amplitudendämpfung nach
sich zieht, d. h. für
das empfangene Signal steigt die Amplitude in Folge reduzierter
Dämpfung. Da
die Ablösung
von der Formenwand lokal beginnt und voranschreitet bis die vollständige Ablösung erfolgt,
ist von einer mehr oder weniger stetigen Zunahme des empfangenen
Amplitudensignals über
diesen Zeitraum auszugehen.
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Die
Schokolade durchläuft
während
des Abkühlprozesses
verschiedene „Konsistenz-Stadien”, von flüssig über pastös bis fest.
Da wie vorbeschrieben die Dämpfung
des Ultraschallsignals von Viskosität, Temperatur und Haftverbund
Gießmaterial/Formmaterial
abhängt,
repräsentiert
das empfangene Schallsignal eine Überlagerung aller dieser Abhängigkeiten.
Wie jedoch überraschenderweise
gefunden werden konnte, zeigt sich sobald die Schokolade von der
Wand löst,
dass der damit verbundene Reduktionseffekt der Amplitudendämpfung die
anderen Einflüsse
eindeutig dominiert. Damit kann aus dem Maximum des empfangenen
Amplitudensignals (3, 18) eindeutig der
relevante Zeitpunkt der vollständigen
Ablösung
der Gießmasse
von der Formenwand eingegrenzt werden. Dieser Zeitpunkt markiert die
benötigte
Kühldauer,
um ein optimal glänzendes Oberflächenergebnis
zu erzielen. Dies wurde mittels Austafeltests bestätigt, die
zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt wurden.
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Nach Überschreiten
des derart ermittelten Amplitudenmaximums (= Dämpfungsminimums) bewirkt der
weitergehende Abkühlvorgang
des Formmaterials eine stetige Amplitudenreduktion (3, 19).
Im Falle Auftreten von „Zwischenmaxima” (3, 17)
während
des fortschreitenden Ablösevorganges
der Gießmasse
von der Formenwand, ist die Stetigkeit des einem solchen Zwischenmaximum nachfolgenden
Signals in aller Regel nicht gegeben, d. h. es folgt ein unstetiger
Kurvenverlauf der Amplitudenfunktion über der Zeit in Folge weiterschreitender
Teilablösung
von der Formenwand. Zeigt das Folgesignal nach Auftreten eines Maximums
jedoch stetigen Verlaufscharakter, z. B. eine weiterschreitende stetige
Abnahme in Folge weitergehender Abkühlung, dann ist dies – wie gezeigt
werden konnte – ein hinreichendes
Maß dafür, dass
das betreffende Amplitudenmaximum dem Punkt der vollständigen Ablösung entspricht.
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c) Messergebnisse (3, 4, 5)
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Die 3 bis 5 zeigen
zeitliche Amplitudenverläufe
(Empfänger)
als Funktion der Prozesszeit für
in Macrolon Tafelformen nach Vorkristallisation (Temperierung) ausgegossene
Milchschokolade (YM-2.1). In 4 ist der
Temperaturverlauf in der Gießmasse
zusätzlich
integriert. 5 demonstriert den Einfluss
verschiedener Kühltemperaturen
(Kühlluftstrom).
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Für die leere
Gießform
unter Raumtemperaturbedingungen zeigt sich eine Empfänger-Amplitude von
ca. 20 mV (3, 13), welche während des
Einfüllvorganges
der Milchschokoladenmasse bei ca. 28°C bis zur vollständigen Füllung der
Form auf ca. 1.7 mV abnimmt (3, 15).
Die danach einsetzende Kühlung
(in 3 mit 10°C
Kühltemperatur)
bewirkt ein Voranschreiten der Verfestigungskristallisation und
damit eine Erhöhung
der Masseviskosität
mit in der Folge weitergehend verstärkter Amplitudendämpfung (bis
ca. 0.023 mV Amplitudensignal). Nach ca. 380 Sekunden ab Kühlbeginn
ist die Masse in der Gießform
weitgehend erstarrt, und in Folge der damit verbundenen Massekontraktion
beginnt die Ablösung
von der Formenwand. Dies bewirkt die fortschreitende in der Regel
nicht gleichmäßig voranschreitende
Luftspaltausbildung zwischen Formwand und Masse und somit nicht
eine stetig abnehmende Amplitudendämpfung (3, 17).
Ein Maximum der Amplitude bei ca. 550 s mit nachfolgend deutlich
verbessert stetig fortschreitende Abnahme entspricht der vollständigen Masseablösung von
der Formenwand (3, 18) und damit den
idealen Ausformungszeitpunkt. Die Amplitudenabnahme nach Durchschreiten
dieses Maximums im Amplitudenverlauf kann der weiteren Abkühlung des
Systems zugeschrieben werden. Dies wird in 4 durch
den zusätzlich
synchron zum Amplitudenverlauf dargestellten zeitlichen Temperaturverlauf
in der abkühlenden Masse
(4, 20) demonstriert. Die entsprechende Temperaturmessung
erfolgte in der Masse mittels integriertem Thermoelement (vgl. 1, 4).
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5 zeigt
eindrücklich
auf, dass eine auf breiter Skala variierte Kühltemperatur (hier zwischen 0
und 10°C)
einen in der charakteristischen Form gleichartigen zeitlichen Amplitudenverlauf
resultieren lässt,
aus dessen jeweiligen Maximum nach Kühlbeginn die optimalen Ausform-/Austafelungszeiten
bei entsprechender Kühltemperatur
eindeutig zu entnehmen sind (5, 22, 23, 24),
siehe auch Tabelle in 5). Die zeitlichen Verläufe der
Amplituden- und Temperaturfunktionen können mittels drahtloser Verbindung
(wireless) aus dem Prozess praktisch verzögerungsfrei direkt an einen
Prozessrechner oder externen Computer übertragen werden. Alternativ
kann eine Zwischenspeicherung auf einem elektronischen Baustein
erfolgen und nach Entnahme der Mess-Gießform aus dem Prozess (nach
Ausformung) via Kabelverbindung ein Auslesen der Daten mittels Computer
erfolgen.
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- 1
- Ultraschall-Sender
- 2
- Ultraschall-Empfänger
- 3
- Einzel-Giessform
- 4
- Thermoelement
(Temperaturmessung)
- 5
- Energiequelle
(Batterie oder Akku)
- 6
- Mikroprozessor,
Signalverarbeitung, Speicher, (Funk-)Wireless/Telemetrie Verbindung
- 7
- Ultraschall
Sendesignal
- 8
- Ultraschall
Empfängersignal
- 9
- Sinuskurven-Fit
für Empfängersignal
- 10
- Ultraschall
Sendesignal – Amplitude
- 11
- Ultraschall
Empfängersignal – Amplitude
- 12
- Phasenverschiebung
zwischen Sender- und Empfängersignal
- 13
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(leere Form, Raumtemperatur)
- 14
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(bei Formfüllen)
- 15
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(gefüllte
Form, Kühlbeginn)
- 16
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(Viskositätserhöhung durch
Kristallisation)
- 17
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(Teilablösung
von Formenwand)
- 18
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(vollständige
Ablösung
von Formenwand)
- 19
- Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude
(Leeren der Form, Austafeln)
- 20
- Temperaturverlauf
in der verfestigenden Masse (hier Schokolade) als Funktion der Zeit
- 21
- Amplitudenverlauf
als Funktion der Zeit
- 22
- Amplitudenverlauf
als Funktion der Zeit bei 0°C
Kühltemperatur
- 23
- Amplitudenverlauf
als Funktion der Zeit bei 5°C
Kühltemperatur
- 24
- Amplitudenverlauf
als Funktion der Zeit bei 10°C
Kühltemperatur
-
Literaturverzeichnis
-
/1/
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in der Baupraxis – Literatursichtung;
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-
/2/
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Betonprüfung:
insbesondere Anwendung von Ultraschall; kritische Betrachtungen;
Beton-Verl.; in Düsseldorf; 1989.
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/3/
Popovics, J. S., Rose, J. L.: A survey of developments in ultrasonic
NDE of concrete; IEEE Trans. an Ultras., Ferroelectr. and Freq.
Contr. 41; (1994); Nr. 1; S. 140–143.
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/6/
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of Highly Concentrated Suspensions Investigated Using the Ultrasound
Velocity Profiler-Pressure Difference Methode”; Measurement Science & Technology, 14
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